Lernpaket Einstieg in die Elektronik       

Ausgabe 2013                  
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Das neue Lernpaket Einstieg in die Elektronik
incl CD Elektronik-Werkzeugkasten 4.0



Das Lernpaket ist erstmalig 2005 unter dem Namen Lernpaket Elektrotechnik herausgebracht. Seitdem hat sich der Name geändert, der verwendete Motor und die beiliegende CD.  Das Handbuch ist übersichtlicher geworden und hat jetzt mehr Seiten.

Einleitung

Dieses Lernpaket wurde zusammengestellt, um Ihnen einen leichten Start in die Elektronik zu ermöglichen. Die wichtigsten Bauteile und die wichtigsten Information in kompakter Form ermöglichen einen optimalen Einstieg. Führen Sie einfache Experimente aus, und erlernen Sie dabei die Grundlagen.
Das Lernpaket gliedert sich in zwei große Abschnitte. Im Kapitel 2 bis 8 stehen einfache Experimente ohne umfangreiche Berechnungen im Vordergrund. Sie erhalten ein Gefühl für die physikalischen Zusammenhänge und lernen auch komplexe Schaltungen zu durchschauen. Im zweiten Teil des Lernpakets ab Kapitel 9 werden dann auch Messungen und Berechnungen durchgeführt. Die Versuche stützen sich auf einfache analoge und digitale Messgeräte, die nicht im Materialsatz enthalten sind und zusätzlich angeschafft werden müssen. Sie erhalten eine gründliche Einführung in die Messtechnik und in die Berechnung der wichtigsten Kennwerte in elektrischen Stromkreisen.

Diese Anleitung geht von der Praxis aus und vermeidet unnötig tiefe Ausflüge in die Theorie, damit Sie zügig zu den interessanten Experimenten vorstoßen. Sie werden aber bemerken, dass auch in der praktischen Anwendung immer etwas Theorie nötig ist. Im ersten, rein experimentellen Teil des Lernpakets wird daher immer wieder etwas vorgegriffen, um Entscheidungen für bestimmte Bauteile in knapper Form zu begründen. Messungen und Berechnungen werden erst dann behandelt, wenn auch klar ist, wozu man sie braucht.

Dem Lernpaket liegt die CD „Elektronik-Werkzeugkasten“ bei. Informieren Sie sich zusätzlich am PC über Theorie und praktische Anwendungen. Die CD enthält grundlegende Informationen und einfache Simulationsprogramme zum elektrischen Stromkreis, zu elektrischen und elektronischen Bauelementen und zur Schaltungstechnik. Eine große Sammlung einfacher Hobbyprojekte aus allen Bereichen der Elektrotechnik und Elektronik vermittelt zusätzliche Impulse für eigene Entwicklungen. Sie erhalten auch Hinweise auf alternative Aufbautechniken. Wenn also eine der Schaltungen im Lernpaket dauerhaft genutzt werden soll, können Sie statt der Krokodilklemmen z.B. Lötverbindungen einsetzen.

Das Lernpaket kann der erste Einstieg in die Welt der Elektrotechnik sein. Wer einfach nur ein Studium beginnt, hat oft keinen rechten Bezug zur Praxis. Man sollte auch eigene Experimente und Entwicklungen durchführen, damit man ein Gefühl für die Zusammenhänge bekommt. Und auch als begleitende Übung für ein Fernstudium Elektrotechnik kann das Lernpaket seinen Nutzen haben. Es bietet zwar nur einen ersten Anfang und sollte der Einstieg in weitere Bastelprojekte und die Beschäftigung mit Mikrocontrollern sein. Aber auch dazu bietet die beiliegende CD viele Anregungen.


1 Einleitung 7

2 Der elektrische Stromkreis 13
2.1 Vorsicht, heiß! 13
2.2 Der Motor im Stromkreis 14
2.3 Strom und Stromrichtung 15
2.4 Energie und Leistung 17
2.5 Spannung 19
2.6 Widerstände 22

3 Leuchtdioden 27
3.1 Eine LED-Lampe 27
3.2 Vorwiderstände 28
3.3 Untersuchung der Mindestspannung 31
3.4 Steigerung der Effizienz 32

4 Schalter 37
4.1 Erschütterungssensor 37
4.2 AN oder AUS 38
4.3 Umschalter 41
4.4 Die UND-Schaltung 43
4.5 Die Oder-Schaltung 44
4.6 Wechselschalter 45

5 Parallel- und Reihenschaltung 49
5.1 Farbspiele 49
5.2 Parallelschaltung von Verbrauchern 50
5.3 Reihenschaltung von LEDs 53
5.5 Die Si-Diode 56
5.7 Ein Polaritätstester 56

6. Elektromagnetismus und Induktion 57
6.1 Dynamo-Taschenlampe 57
6.2 Drehrichtungsanzeige 59
6.3 Induktion und EMK 59

7 Der Kondensator 63
7.1 Blitzlicht 63
7.2 Laden und entladen 64
7.3 Wechsel-Blitzlicht 65
7.4 Dynamo-Blitzlampe 66

8 Der Transistor 67
8.1 Berührungssensor 67
8.2 Stromverstärkung 69
8.3 Der Inverter 70
8.4 Zeitschalter 72
8.5 Motorschalter 73
8.6 Ein Drehsensor 74

9 Messgeräte 77
9.1 Spannungsmessung 77
9.2 Stromstärkemessung 81
9.3 Widerstandsmessung 82
9.4 Batterietester 85
9.5 Dioden- und Transistorprüfer 86

10 Messungen im Stromkreis 89
10.1 Spannung, Stromstärke und Widerstand 89
10.2 Reihenschaltung und Spannungsteiler 90
10.3 Parallelschaltung von Widerständen 92
10.4 Messfehler 94
10.5 Innenwiderstand einer Spannungsquelle 95
10.6 Diodenkennlinien 97
10.7 Messungen an LED-Schaltungen 104
10.8 Messungen an einer Transistor-Schaltstufe 106


Zwei Beispielkapitel:

2.2 Der Motor im Stromkreis

Grundlage der Elektrotechnik ist der elektrische Stromkreis. Auch komplexe Schaltungen beruhen auf einfachen Stromkreisen. Führen Sie zuerst einige Versuche durch. Dabei wird grundsätzlich eine elektrische Energiequelle und ein Verbraucher benötigt.

Verbinden Sie das Batteriefach über zwei Leitungen mit dem Motor, wie es das Foto zeigt. Die Leitungen wurden mit Absicht in einem Kreis ausgelegt, um den Strom-„kreis“ anzudeuten. Die Kabel wurden übrigens speziell für die Fotos im Handbuch gekürzt. Die Krokodilkabel in Ihrem Experimentiersatz sind dagegen länger.



 

Abb. 2.2 Ein Stromkreis mit Batterie und Motor 


2.3 Strom und Stromrichtung

Der Aufbau soll nun in einem Schaltbild betrachtet werden. Abb. 2.3 zeigt die Batterie mit vier Zellen, den Motor und die beiden Verbindungsleitungen. Die Schaltung stellt einen geschlossenen Stromkreis dar. Sobald Sie eine der Krokodilklemmen lösen, unterbrechen Sie den Kreis und schalten damit den Strom ab.

Achtung! Vermeiden Sie unbedingt eine direkte Verbindung der Batteriepole ohne einen Verbraucher. Ein solcher Kurzschluss wäre zwar auch ein Stromkreis, es würde aber zu viel Strom fließen und eventuell die Kabel, zumindest aber die Batterie beschädigen.
 


Abb. 2.3 Der einfache Stromkreis

Die Pfeile im Schaltbild zeigen die Richtung des fließenden Stroms. Strom fließt immer vom Pluspol der Batterie durch den Verbraucher zurück zum Minuspol der Batterie. Strom ist die Bewegung elektrischer Ladung, die ohnehin immer in jedem Material enthalten ist. Tatsächlich wird die bewegte elektrische Ladung von kleinsten negativ geladenen Teilchen, den Elektronen getragen, die sich genau in Gegenrichtung zum elektrischen Strom bewegen. Die Stromrichtung ist letztlich historisch durch eine willkürliche Definition festgelegt worden. Danach tragen die positiven Protonen im Inneren der Atomkerne eine positive Ladung, die kleineren Elektronen dagegen eine negative.

Der elektrische Strom wird in Ampere (A) gemessen, die elektrische Ladung in Coulomb (C). Wenn eine Ladung von 1 C sich in einer Sekunde durch den Draht bewegt, beträgt die Stromstärke 1 A. Die Stromstärke kann mit einem Messgerät gemessen werden, was weiter unten genauer erläutert wird. Aus der Stromstärke und einer gemessenen Zeit kann auch die insgesamt bewegte elektrische Ladung berechnet werden. Vorerst sollen aber nur Versuche ohne Messungen vorgestellt werden. Sie erhalten bereits viele Hinweise, wann mehr oder wenige Strom fließt, brauchen sich jedoch noch nicht mit genauen Messwerten auseinandersetzen.

Vertauschen Sie nun die Anschlüsse an der Batterie oder am Motor. Sie werden feststellen, dass sich die Drehrichtung des Motors ändert. Es handelt sich aber weiterhin um einen einfachen (unverzweigten) Stromkreis, auch wenn die Schaltung nun etwas anders aussieht.

 
Abb. 2.4 Umkehrung der Drehrichtung 


8.1 Berührungssensor

Schalten Sie den Transistor in Reihe zu einer Leuchtdiode mit Vorwiderstand. Der Emitter-Anschluss (E) muss mit dem Minusanschluss der Batterie verbunden werden. Der Kollektor-Anschluss wird über den Verbraucher mit dem Pluspol verbunden. Der Transistor wirkt zunächst wie ein geöffneter Schalter. Die LED leuchtet also nicht.

 

Abb. 8.1 Aufbau eines Berührungssensors 

Zusätzlich enthält die Schaltung Anschlüsse an der Basis (B) und am Kollektor (C). Berühren Sie die Kabelenden und fügen Sie dadurch eine schwach leitende Verbindung zwischen B und C ein. Der Hautwiderstand beträgt in Abhängigkeit von der Feuchtigkeit etwa 10 kOhm bis 1000 kOhm. Es fließt daher nur ein sehr kleiner, nicht fühlbarer Strom durch Ihren Körper. Trotzdem geht die LED an. Der kleine Sensorstrom wurde durch den Transistor verstärkt. Steuern Sie den Strom durch die LED durch mehr oder weniger kräftigen Druck auf die Anschlussklemmen.



 
Abb. 8.2 Das Schaltbild des Berührungssensors 

Das Schaltbild des Versuchs zeigt einen verzweigten Stromkreis. Der kleinere Strom durch den Sensorwiderstand (Finger) fließt durch den Verbraucher und die Basis. Der Basisstrom bewirkt, dass zusätzlich ein größerer Kollektorstrom ebenfalls durch den Verbraucher fließt.





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